車用柴油機(jī)進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能研究

馬勇 王振 喻昆 張軍瑞 杜柏超

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，合肥 230601；2.天津內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072）

主題詞：柴油機(jī) 進(jìn)氣道 渦流比 燃燒效率

1 前言

日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)及燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)推動(dòng)著內(nèi)燃機(jī)向更清潔、更高效的方向發(fā)展。我國(guó)乘用車第Ⅳ階段油耗法規(guī)要求，到2020年平均油耗需降至5.0 L/100 km[1]。柴油機(jī)作為目前最高效的內(nèi)燃動(dòng)力機(jī)械之一，是實(shí)現(xiàn)法規(guī)要求的有效技術(shù)措施。

進(jìn)氣道作為柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，對(duì)動(dòng)力輸出、燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放水平有著顯著影響[2-3]，國(guó)內(nèi)外對(duì)其開(kāi)展了大量的研究工作，主要采用穩(wěn)流試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)[3-5]對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣道性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括渦流強(qiáng)度和流量系數(shù)兩個(gè)維度。隨著燃油噴射系統(tǒng)的升級(jí)，對(duì)進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)提出了新的要求，因此如何平衡渦流比與流量系數(shù)間的關(guān)系并依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求選擇合理的進(jìn)氣道性能參數(shù)，是新型柴油機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

針對(duì)某2.0 L增壓柴油機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的部分工況油耗偏高、煙度值偏大的問(wèn)題，建立了氣道穩(wěn)態(tài)仿真模型，對(duì)其性能及氣流組織狀態(tài)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了優(yōu)化方案并對(duì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和油耗的同步優(yōu)化。

2 進(jìn)氣道試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法

2.1 進(jìn)氣道試驗(yàn)

采用如圖1所示的渦流動(dòng)量計(jì)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)氣渦流通過(guò)蜂窩渦流動(dòng)量計(jì)捕集，通過(guò)微扭矩傳感器檢測(cè)渦流動(dòng)量，并轉(zhuǎn)換成渦流強(qiáng)度。

2.2 進(jìn)氣道試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

目前，進(jìn)氣道性能試驗(yàn)主流評(píng)價(jià)方法有AVL、Ricardo、FEV和SWRI等，本文采用AVL評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。AVL評(píng)價(jià)方法利用無(wú)因次流通系數(shù)μσ來(lái)評(píng)價(jià)進(jìn)氣道的流動(dòng)損失，用無(wú)因次參數(shù)渦流比nd/n來(lái)評(píng)價(jià)渦流的強(qiáng)弱。

圖1 渦流動(dòng)量計(jì)氣道試驗(yàn)臺(tái)示意

流通系數(shù)μσ計(jì)算式為：

式中，mv為通過(guò)進(jìn)氣道的實(shí)際空氣質(zhì)量流量；mt為在Δp壓差下理論上無(wú)損失地流過(guò)進(jìn)氣道自由控制截面的空氣質(zhì)量流量；μ為流量系數(shù)；σ為阻隔系數(shù)。

渦流比nd/n計(jì)算式為：

式中，nd為葉片風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速；n為假想的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速，是通過(guò)試驗(yàn)缸套內(nèi)的平均軸向流速作為活塞平均速度cm而推算出來(lái)的；Vs為活塞排量。

為評(píng)價(jià)內(nèi)燃機(jī)在整個(gè)進(jìn)氣過(guò)程中進(jìn)氣道的平均阻力與缸內(nèi)平均渦流強(qiáng)度，定義了平均流通系數(shù)（μσ）m和平均渦流比。假定進(jìn)氣過(guò)程在上止點(diǎn)至下止點(diǎn)之間進(jìn)行，則

式中，α為以弧度計(jì)的曲軸轉(zhuǎn)角；c（α）/cm為活塞速度與活塞平均速度之比。

3 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)分析

柴油機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)通常有切向進(jìn)氣道和螺旋進(jìn)氣道，如圖2所示。切向進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，氣體經(jīng)過(guò)氣道切向沖向缸壁形成進(jìn)氣渦流，這種進(jìn)氣道一般能形成較高的流量系數(shù)；螺旋進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有一定的螺旋角度形成的螺旋通道，氣體在進(jìn)氣道內(nèi)就能形成螺旋氣流，進(jìn)入氣缸內(nèi)就能形成進(jìn)氣渦流，這種氣道通常能形成較高的渦流比，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致進(jìn)氣阻力加大，從而影響流量系數(shù)提升。

現(xiàn)代柴油機(jī)為追求更高的充量系數(shù)，往往采用雙進(jìn)氣道組合結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。圖3是兩個(gè)切向進(jìn)氣道組合在一起的結(jié)構(gòu)形式，但這種組合氣道在大氣門升程區(qū)間與缸筒形成的兩股氣流有沖撞的趨勢(shì)，所以不是最佳的組合氣道方案。為此對(duì)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的進(jìn)氣道為螺旋進(jìn)氣道加切向進(jìn)氣道的組合形式，如圖4所示。螺旋進(jìn)氣道組織氣體形成渦流，切向進(jìn)氣道能夠形成渦流與大的流量系數(shù)，并且渦流方向和螺旋進(jìn)氣道一致，所以能產(chǎn)生高的渦流比，同時(shí)能提供足夠的流量系數(shù)。

圖2 切向進(jìn)氣道和螺旋進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)示意

圖3 雙切向進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)形式

圖4 優(yōu)化后氣道結(jié)構(gòu)形式

4 CFD分析

圖5、圖6為進(jìn)氣道流量系數(shù)和渦流比的CFD計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比，由圖可看出，CFD計(jì)算值與試驗(yàn)值接近。CFD計(jì)算值雖然不能準(zhǔn)確反映試驗(yàn)值，但可以反映氣體運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。

圖5 每氣門升程流量系數(shù)計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比

采用CFD軟件對(duì)兩種進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7a可看出，優(yōu)化前的進(jìn)氣道均為切向進(jìn)氣道，造成在大氣門升程時(shí)，在缸孔中部區(qū)域兩股氣流相撞，難以形成穩(wěn)定的渦流；小氣門升程較高的渦流比完全依靠氣門倒角引導(dǎo)與較小的流量系數(shù)獲得，進(jìn)而造成較低的流量系數(shù)。由圖7b可看出，進(jìn)氣道優(yōu)化后，從切向進(jìn)氣道進(jìn)入的氣流在缸內(nèi)形成繞壁的大渦，從螺旋進(jìn)氣道進(jìn)入的氣流在局部形成小渦，二者旋向一致，形成穩(wěn)定的渦流并獲得較高流量系數(shù)。

圖6 每氣門升程渦流比計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比

圖7 優(yōu)化前、后進(jìn)氣道CFD分析結(jié)果

5 進(jìn)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)

在渦流動(dòng)量計(jì)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)優(yōu)化前、后缸蓋進(jìn)氣道進(jìn)行性能測(cè)試。試驗(yàn)采用AVL的標(biāo)準(zhǔn)凸輪型線，利用AVL評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可看出，優(yōu)化前、后的氣道試驗(yàn)結(jié)果與CFD分析結(jié)果趨勢(shì)一致，說(shuō)明CFD流場(chǎng)分析與實(shí)際相符。優(yōu)化后的進(jìn)氣道平均流量系數(shù)提升了26.4%，平均渦流比相對(duì)優(yōu)化前提升了14.2%，說(shuō)明優(yōu)化后的進(jìn)氣道在提升流量系數(shù)的同時(shí)能改善渦流比，使進(jìn)氣道的性能達(dá)到最佳，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)油氣混合氣能更好地形成，且能保證充分的進(jìn)氣量，有利于缸內(nèi)燃燒及降低油耗。

6 發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一款增壓柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)如表1所列。

6.1 燃燒放熱率對(duì)比

分別將進(jìn)氣道優(yōu)化前、后的缸蓋裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，選擇特殊工況點(diǎn)（2 400 r/min、110 N·m）并在相同的燃燒參數(shù)下對(duì)燃燒放熱率進(jìn)行對(duì)比，觀察優(yōu)化后的進(jìn)氣道對(duì)燃燒是否有優(yōu)化作用，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9可看出，進(jìn)氣道優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒峰值放熱率相對(duì)優(yōu)化前在上止點(diǎn)后15°CA左右明顯增加，提高了約15%。這主要是因?yàn)閮?yōu)化進(jìn)氣道后缸內(nèi)渦流強(qiáng)度增加，油氣混合氣更加均勻，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，從而提升了燃燒放熱率，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及污染物排放。

圖8 進(jìn)氣道優(yōu)化前、后穩(wěn)流試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

圖9 進(jìn)氣道優(yōu)化前、后燃燒放熱率對(duì)比

6.2 經(jīng)濟(jì)性和污染物排放對(duì)比

選擇NEDC循環(huán)下的5個(gè)排放工況點(diǎn)進(jìn)行油耗對(duì)比，工況點(diǎn)1～工況點(diǎn)5分別為：2 900 r/min、140 N·m；2 600 r/min、184 N·m；2 200 r/min、143 N·m；1 526 r/min、32 N·m；1 300 r/min、11 N·m，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10可看出，進(jìn)氣道優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗明顯改善，相對(duì)于原進(jìn)氣道，比油耗降低了約5%。進(jìn)氣道性能的提升導(dǎo)致燃油效率的提升，放熱率提高，燃油消耗率降低，同時(shí)污染物排放也有效降低。

圖10 5個(gè)排放工況點(diǎn)下進(jìn)氣道優(yōu)化前、后燃油消耗率對(duì)比

圖11為在2 400 r/min、110 N·m工況點(diǎn)下，通過(guò)調(diào)整EGR率控制NOx排放，不同NOx排放下的油耗和soot排放對(duì)比。由圖11可以看出，進(jìn)氣道優(yōu)化后，油耗始終比優(yōu)化前低，soot排放也始終處于較低位置，這表明進(jìn)氣道優(yōu)化后燃燒效率得到提升，即使在不同EGR率的情況下，油耗和soot排放也能得到明顯改善。

圖12為不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣道優(yōu)化前、后的進(jìn)氣量對(duì)比，由圖12可以看出，進(jìn)氣道優(yōu)化后，在中高轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣量明顯提升，提高了約3%～5%，表明優(yōu)化后的進(jìn)氣道流量系數(shù)提升對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)有明顯改善，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量。

圖11 不同NOx排放下的燃油消耗率和soot排放對(duì)比

圖12 不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣道優(yōu)化前、后進(jìn)氣量對(duì)比

圖13為不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣道優(yōu)化前、后的排放溫度對(duì)比，由圖13可以看出，優(yōu)化后的進(jìn)氣道排放溫度明顯降低，降低了約3%，這表明進(jìn)氣道優(yōu)化后有利于提升燃燒效率，燃燒效果較佳，放熱率較高，因而排氣溫度有所降低。

圖13 不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣道優(yōu)化前、后排放溫度對(duì)比

7 結(jié)束語(yǔ)

本文基于降低油耗和提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的目的，對(duì)一款2.0 L排量柴油機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)CFD模擬分析、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能測(cè)試得到以下結(jié)論：

a.優(yōu)化后的進(jìn)氣道平均渦流比提升了14.2%，平均流量系數(shù)提升了26.4%，使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣量提升了約3%～5%。

b.優(yōu)化后進(jìn)氣道使發(fā)動(dòng)機(jī)放熱率在部分區(qū)域提高了15%；在5個(gè)排放特征點(diǎn)區(qū)域，油耗降低了約5%，soot排放對(duì)比有明顯降低；排氣溫度也降低了3%。